三元温控器

前言9系超高镍三元锂离子电池是指正极材料元素比值为Ni:Co:Mn=9:0.5:0.5的三元锂离子电池，作为短期内已经将锂电池正极材料的潜力发挥到最大的方案，9系锂电池的理论能量密度甚至超过了300Wh/kg。由于9系锂电池具有超高的能量密度，受到了致力于提高新能源汽车续航里程的主机厂的密切关注。但高能量密度伴随着潜在的高危险性，因此获得9系电池的热失控特征参数尤为重要，但是9系锂电池的热失控过程非常剧烈，有较大概率会损伤仪器，因此9系锂电池的绝热热失控实验数据十分缺乏，电池热管理设计也缺少实验数据的支撑。本文利用杭州仰仪科技有限公司BAC-420A大型电池绝热量热仪进行了130Ah的9系NCM超高镍锂离子电池的绝热热失控测试，获得该电池热失控过程的相关热力学特征参数等信息。相关结果有助于帮助研究人员明确9系电池的热失控危害性，优化电池安全设计。实验部分1.样品准备实验样品：130Ah 9系NCM锂离子电池*1，260mm*100mm*25mm，100%SOC。2.实验条件实验仪器：杭州仰仪科技BAC-420A大型电池绝热量热仪；工作模式：HWS模式、温差基线模式；标准铝块：6061铝合金材质。图1 BAC-420A大型电池绝热量热仪3.实验过程3.1 温差基线校正：利用与电池大小形状一致的标准铝块进行温差基线模式实验，对热电偶及仪器进行校正；3.2 标准铝块HWS实验：利用标准铝块进行HWS模式实验，验证温差基线校正的效果及实验过程中仪器的绝热性能；3.3 电池HWS实验：为了防止9系电池热失控损坏炉腔，因此在电池外部增加了如图2所示的金属网防护罩，以HWS模式进行绝热热失控实验；图2 9系电池实验安装示意图及实物照片3.4 标准铝块HWS实验：电池HWS实验结束后，用标准铝块重新进行HWS验证实验，用于验证热失控后仪器功能是否正常及传感器漂移程度。实验结果图3 电池绝热热失控(a)温度-压力曲线及(b)温升速率-温度曲线如图3(a)所示，电池在82.68℃下的自放热温升速率达到了0.02℃/min的Tonset检测阈值；在131.67℃达到泄压温度Tv，泄压阀打开；随后在169.49℃达到热失控起始温度TTR (60℃/min)，电池发生热失控，数秒内温度快速升高至约1090℃，最大温升速率(dT/dt)max超过40000℃/min。并且通过图4所示的抗爆箱内外部的监控画面，可以发现电池的热失控过程十分剧烈，在极短的时间内喷射出强烈的射流火及大量浓烟，同时瞬间产生的高温高压气流对实验室墙面产生了一定的冲击作用。图4 (a)防爆箱内部视频及(b)防爆箱外部视频图5 电池残骸照片通过观察电池残骸可以发现，泄压阀位置完全崩裂，同时电池残骸基本仅剩外部铝壳，内部电池材料几乎全部从泄压口喷出，热失控后电池的质量损失率达到了85.97%，也侧面表明了9系电芯的热失控剧烈程度。图6 电池热失控前(a)后(b)铝块HWS模式实验曲线在电池实验前，通过标准铝块的HWS实验验证了仪器良好的绝热性能，如图6(a)，每个温度台阶铝块的温升速率均小于±0.002℃/min；电池测试后，为了确认仪器能否在承受9系锂电池的剧烈爆炸后仍然能正常使用，重新进行一次标准铝块的HWS实验。通过图6(b)可以发现，实验过程中仪器运行良好，并且每一个台阶的温升速率均低于±0.002℃/min，绝热性能依然优异，说明仪器功能完好，同时传感器未出现明显漂移。结论大容量9系超高镍NCM锂电池绝热热失控的剧烈程度高，实验室应具备足够的泄压泄爆面积（建议50平米以上），同时实验室墙面应进行加固。仰仪科技BAC-420A大型电池绝热量热仪具有优异的耐压和抗爆性，能够承受大容量超高比能电芯的热失控爆炸冲击。

本文要点随着科技的进步，3C产品的多元化，集成化，便捷化，产品的体积越来越小，锂电池作为储能设备，不仅用于手持式电器，如手机，电脑，也广泛应用于汽车行业，得益于仅使用电能，几乎不产生CO2，相比传统燃油车具有更好环保效果，因此锂电池成为了当前应用最广泛的储能电池。目前主流的锂电池技术有磷酸铁锂和三元锂电池。其中三元锂电池具有更高的能量密度，更小的重量下具有更高的续航能力。然而三元锂电池相比于磷酸铁锂电池，耐高温性较差，如果电池因外部撞击破坏或内部异常损伤，均可导致电池短路，发生放热现象，更严重的会直接自燃。因此，有关锂电池的安全性，近来成为网上的热点话题，也是很多科学家及企业需要攻克的难题。三元锂电池结构三元锂电池是由正极，负极，隔膜，外包材，电解液等组成的。其中隔膜具有隔离电池正负极，仅让锂离子通过的作用。如果电池内部隔膜发生破坏，就会出现正负极联通导致电池短路放热，引燃电解液的现象发生。一般引起隔膜穿刺现象的原因有外部撞击破坏或内部异物破坏导致的。其中，外部的机械滥用或是电滥用均有可能导致电池热失控而发生意外自燃；内部异物破坏的诱因可能是原材料内部不纯净或工艺问题，而引入一些微米级别金属磁性单质，导致在电池使用过程中出现金属磁性单质刺破隔膜，发生短路现象。因此针对于三元锂电池原材料异物解析，可以采用扫描电镜及能谱异物分析功能，实现对原料或工艺后期引入的异物的自动寻找及分析。日立钨灯丝扫描电镜Flexsem1000 Ⅱ型(左)和场发射扫描电镜SU5000（右）本次测试采用日立钨灯丝扫描电镜Flexsem1000Ⅱ和牛津Aztec Feature软件，对微孔滤膜上的三元正极粉末的生产原料进行大区域自动采集，分析，找出关注颗粒单质Fe，对单质Fe进行统计，给出统计结果，进而评估原料是否合格。在整个测试过程中，设备自身的自动化功能调整，条件的标准化把控以及Feature软件自行检测，记录与统计，大大的降低了人的依赖性。测试特点1、 Flexsem1000Ⅱ可以一键切换高低真空，无论是导电与不导电样品，都无需对样品进行喷金处理而直接测试。2、 Flexsem1000Ⅱ配置了高灵敏5分割BSE探头，可轻松获得高衬度图像；且标配了自动聚焦，自动亮度对比度等自动化功能，快速准确调整电镜图片。3、 使用大面积拼图功能，可以测试整个微孔滤膜上的样品，获得全部颗粒的结果；同时，对每一个测量位置也可以实现追溯，再分析等功能。4、 根据自身需求，自行设置分类异物，在最终结果中得到异物颗粒的某一单一数据或所有异物的数据，如总个数，占比等结果。5、 在测试分析过程中，可实现后期无人监看，电镜自行完成样品台上样品的全部测试并获得最终结果。日立为三元锂电池异物分析提供了扫描电子显微镜及能谱，Feature软件的解决方案，不仅帮助检测原料异物，同时在工艺管控，品控测试环节提供更多的帮助。END公司介绍：日立科学仪器（北京）有限公司是世界500强日立集团旗下日立高新技术有限公司在北京设立的全资子公司。本公司秉承日立集团的使命、价值观和愿景，始终追寻“简化客户的高科技工艺”的企业理念,通过与客户的协同创新，积极为教育、科研、工业等领域的客户需求提供专业和优质的解决方案。 我们的主要产品包括：各类电子显微镜、原子力显微镜等表面科学仪器和前处理设备，以及各类色谱、光谱、电化学等分析仪器。为了更好地服务于中国广大的日立客户，公司目前在北京、上海、广州、西安、成都、武汉、沈阳等十几个主要城市设立有分公司、办事处或联络处等分支机构，直接为客户提供快速便捷的、专业优质的各类相关技术咨询、应用支持和售后技术服务，从而协助我们的客户实现其目标，共创美好未来。

p style="text-indent: 2em "随着整车续航要求的提升，高能量密度的三元电池需求量显著提高。预计2020年搭载三元电池的新能源汽车有望达到180万辆，占新能源汽车总量比例超过90％。我们测算，2018年预计国内新能源汽车对三元电池有望超过28GWh的需求量，对应市场规模超390亿市场规模。到2020年，三元动力电池需求量将增长至76GWh，对应市场规模超800亿，2018－2020年需求量CAGR约为39％，2018－2020年市场规模CAGR约为27％。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/fdafb790-9801-4b9f-9b4d-ca8faf162487.jpg" title="动力电池格局分析：三元锂趋势明显1.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 2em "2011－2017年全球动力电池市场需求量及增速情况/pp style="text-indent: 2em "strong中国动力电池出货量/strong/pp style="text-indent: 2em "伴随电动汽车于2011年在我国起步，动力电池行业步入发展初期，年出货量低于1GWh且仅维持小幅增长据前瞻产业研究院发布的《动力电池PACK行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》数据显示，随着2014年补贴政策推出，行业进入爆发式发展期。动力电池出货量从2014年的5．9GWh攀升至2015年的17．0Gwh，同比增长接近2倍。2016年中国动力电池出货量达30．5GWh，同比上年增80％。总体而言，作为新能源车产业链的关键环节，动力电池行业将长期受益新能源汽车的销量和渗透率增长。2017年动力电池累计出货39．2GWh，同增30％以上。结合新能源车产销预测2018～2020年动力电池将延续高增长，CAGR约30％。/pp style="text-indent: 0em text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/17c1d3ee-9014-48de-ba43-87343c7e51d1.jpg" title="动力电池格局分析：三元锂趋势明显2.jpg"//pp style="text-indent: 0em "/pp style="text-align: center text-indent: 2em "2011－2025年中国动力电池组出货量及增速情况/pp style="text-indent: 2em "自2014年之后，动力电池装机进入爆发增长期，动力电池的回收问题也逐渐提上日程。一般家用乘用车以及电动客车电池会在5年左右退役，出租车和物流车动力电池一般2年就会退役。据此判断，从2018年开始，我国将会有大量的动力电池进入报废期。/pp style="text-indent: 2em " /pp style="text-indent: 2em "strong乘用车是主导市场，三元锂趋势明显/strong/pp style="text-indent: 2em "2017 年1－10 月国内动力电池装机总量约18．1GWh，其中乘用车电池装机量达9．8GWH，占比54％（客车占比30％，与用车占比16％）。仍电池类型来看，乘用车三元锂电池占比达到了70％左右，高二2016 年的52％，动力电池往三元锂方向发展的趋势明显。/pp style="text-indent: 0em text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/244a82b1-519d-4956-8b6c-de734a93ef76.jpg" title="动力电池格局分析：三元锂趋势明显3.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 2em "2017年前10个月不同电池装机情况统计（单位：GWh）/pp style="text-indent: 2em "在三元动力电池领域，竞争格局相对分散；宁德时代市场占有率23．0％排名第一，比兊动力（10．1％）、孚能科技（7．1％）、比亚迪（5．3％）分列2／3／4位，CR5约为49．4％。/pp style="text-indent: 2em "strong动力锂电池行业发展方向/strong /pp style="text-indent: 2em "鼓励动力电池向高能量密度技术方向发展，2017 年3 月发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，明确了到2020 年的目标是动力电池单体比能量超过300Wh／kg，系统比能量力争达到260Wh／kg。我国目前的动力电池系统比能量平均水平约为115Wh／kg，不260Wh／kg 的目标值仌有较大差距。因此，不断更新电池技术，提升电池能量密度，将会是动力电池企业的核心竞争力。/pp style="text-indent: 2em "提升电池能量密度的补贴门槛，符合政策鼓励使用高能量密度电池的大方向。不管未来政策如何发化，技术的不断革新和控制成本的能力将会是动力电池企业的核心竞争力。/p